光伏級單晶硅與半導(dǎo)體級單晶硅的純度相差好幾個(gè)數(shù)量級，光伏級單晶硅的純度是99.9999%，而半導(dǎo)體級單晶硅的純度普遍要求10-11個(gè)9，即99.99999999%。
目前我國生產(chǎn)的單晶硅料和硅片絕大部分都是光伏級，從產(chǎn)業(yè)規(guī)模看，光伏產(chǎn)業(yè)的全球市場份額在1000億美元左右的規(guī)模，近年的生產(chǎn)和市場增量基本都在我國，但用來做芯片的半導(dǎo)體級芯片，大陸企業(yè)的產(chǎn)能占比就驟降到不足5%。
雖然半導(dǎo)體硅片的市場規(guī)模只有100多億美元，但越往下游利潤就會(huì)以指數(shù)級形式增長，芯片的市場規(guī)模就高達(dá)4000億美元，整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)環(huán)環(huán)相扣。那么硅片是怎么來的？
硅棒截去硅頭硅尾，切下來的部分如果質(zhì)量好還可以切成籽晶，用來拉出新的硅棒，實(shí)現(xiàn)硅片生產(chǎn)的無限套娃。接下來用四探針法測量棒身的電阻率，用來檢查軸向的雜志濃度是否異常，檢測完成后，將其截成30厘米左右長度的硅段。
截成硅段后，進(jìn)入下到程序滾磨。顧名思義，就是將硅段固定在機(jī)器上，讓其緩慢滾動(dòng)，用側(cè)面的金剛石砂輪，簡稱金輪，對棒身進(jìn)行打磨，由于直拉法無法精確的控制晶體生長，獲得一個(gè)完美的圓柱體，所以得拉出一個(gè)粗一點(diǎn)的硅棒，再通過滾磨得到想要得目標(biāo)尺寸。
硅段與金輪得劇烈摩擦?xí)罅考訜幔枰掷m(xù)加水降溫，滾磨完成后會(huì)在硅段的側(cè)面再摸出一個(gè)平面，或者一道溝槽，這就是以后硅片上的定位邊（flat）或定位槽（notch）。
光刻機(jī)需要通過它們來對硅片進(jìn)行最開始的定位和校準(zhǔn)。在業(yè)界，定位邊還有一個(gè)小作用，就是標(biāo)明硅片的類型和晶向。
接下來要將硅段切片，以前普遍使用內(nèi)圓切割機(jī)，可以理解成帶有環(huán)形刀片的狗頭鍘。
優(yōu)點(diǎn)是切割穩(wěn)定，切面較平整，但缺點(diǎn)也很明顯，效率低，一次只能切一片，而且由于刃口較厚，切割時(shí)所耗的硅料較多，并且不適合處理相對更薄的大尺寸硅片。目前主流的切片方式是使用金剛線的多線切割機(jī)，也就是用上面固定有金剛石顆粒的鋼絲線同時(shí)對硅段進(jìn)行多段切割。
這種線切法雖然不如傳統(tǒng)刀片穩(wěn)定，后續(xù)硅片打磨的時(shí)間也更長，但勝在切割效率高，損耗低。
切下來的硅片會(huì)先經(jīng)過一遍機(jī)械打磨，讓表面更加平整，同時(shí)讓整體變薄。例如12英寸的硅片通過磨片會(huì)將厚度減到775微米左右。
部分硅片還要制造背損傷，即人為的制造一個(gè)粗糙的背部，比如在背面噴砂或者沉積一層多晶硅，這樣故意在底部制造大量晶體缺陷作為陷阱，將后續(xù)工藝中不想要的金屬雜質(zhì)困在底層，從而保護(hù)上層的器件。
通過倒角機(jī)把硅片邊緣的直角邊磨成圓弧形，這是因?yàn)楦呒兌裙枋且环N脆性很高的材料，這樣處理可以降低邊緣處發(fā)生崩裂的風(fēng)險(xiǎn)。
除此以外，有弧度的邊角在后續(xù)的芯片制造工藝中還有兩個(gè)作用：
一是在光刻時(shí)，光刻膠是通過旋轉(zhuǎn)的方式涂抹在硅片表面上的，如果邊緣是直角邊，光刻膠容易因?yàn)殡x心力在邊緣處累積，造成厚度不均，從而影響光刻。
二是在做外延生長時(shí)，沉積物也會(huì)優(yōu)先堆積在直角邊影響沉積效果，而圓弧狀的角可以消除邊緣沉積的現(xiàn)象（Edge Crown）。
磨片和倒角完成后，廠商一般會(huì)對硅片打上激光標(biāo)識碼，再進(jìn)行一遍精磨去除10微米左右的厚度，然后會(huì)放入溶劑中進(jìn)行化學(xué)刻蝕。
通常使用氫硝酸和氫氟酸腐蝕掉表面約20-50微米左右的厚度來去除之前打磨的過程中硅片積累的機(jī)械損傷以及混入硅片表層的磨料。
經(jīng)過一系列打磨和刻蝕之后，硅片表面已經(jīng)十分光滑，但用來制造芯片還不夠，因?yàn)樵诤罄m(xù)的工序中需要光刻機(jī)將圖形投影到硅片上，就類似于用投影儀觀看小電影，如果幕布不夠平整，有起伏的傾角或者局部的凹凸，投放的影像就會(huì)變形失真，影響觀看體驗(yàn)。
而在光刻中，硅片就相當(dāng)于幕布，而光刻的圖像尺寸和精度都是納米級的，所以要求硅片表面是一個(gè)完美的平面，一點(diǎn)點(diǎn)起伏參差或者局部凹凸都會(huì)影響光刻效果。根據(jù)04年的國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖，12寸硅片的整體平整度要小于51納米，相當(dāng)于在電影院掛一塊IMAX幕布，起伏比一根頭發(fā)絲還要細(xì)。
為了達(dá)到這種極致的平坦，需要對硅片進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光（CMP），這一步結(jié)合了物理和化學(xué)的理綜行拋光手段。
具體做法是將硅片裝在旋轉(zhuǎn)的拋光儀器上下降到下方，表面薄層會(huì)先被研磨液化學(xué)氧化，再被拋光墊物理打磨，這一步硅片會(huì)再被打薄5微米左右，直到被拋光成完美的鏡面，通常對8英寸芯片進(jìn)行單面拋光，12英寸硅片進(jìn)行雙面拋光，這樣就得到一枚拋光片。
最后還要用去離子水和各種化學(xué)溶劑進(jìn)行清洗，去掉制程中粘附在硅片表面的各種塵埃和雜質(zhì)，這些顆粒物會(huì)影響芯片的制造流程，造成芯片的短路或開路。
除了要控制污染物密度之外，其顆粒物大小往往不能超過特征尺寸的一半，所以在先進(jìn)制程中，能允許的單個(gè)顆粒物直徑最多只有幾納米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于細(xì)菌的尺寸。
在平整度和清潔度之外，硅片還要保證翹曲度、氧含量、金屬殘余量等指標(biāo)，要經(jīng)過電鏡檢查、光學(xué)散射等各種檢測達(dá)標(biāo)后，一張硅片才得以誕生。它將被放在充滿氮?dú)獾拿芊夂欣锼屯A廠進(jìn)行后續(xù)處理。
除了種類，硅片的尺寸也有很多種，如前面提及的8英寸與12英寸都是業(yè)內(nèi)的習(xí)慣叫法，指的是直徑200和300毫米的硅片和晶圓，理論上直徑當(dāng)然越大越好，這樣單片晶圓產(chǎn)出的芯片更多，并且硅片邊緣處的殘損芯片（edge die）占比更少，提高了生產(chǎn)良率，分?jǐn)偭酥圃斐杀?。但大硅片在工藝和設(shè)備上的門檻也更高，目前8英寸廣泛應(yīng)用于90納米以上的成熟制程如車載傳感器和功率器件，12英寸的大硅片則應(yīng)用于更先進(jìn)的制程如電腦CPU顯卡、手機(jī)存儲卡。
硅片國產(chǎn)化的三個(gè)難點(diǎn)
當(dāng)前，全球的硅片供應(yīng)主要由5家公司壟斷，分別是日本的信越化工（Shin-Etsu）和盛高集團(tuán)(Sumco)、中國臺灣的環(huán)球晶圓（Global Wafers）、德國Siltronic及韓國SK Siltron。
其中，日本是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了12寸大硅片量產(chǎn)的國家，此后一直保持在硅片上的先發(fā)優(yōu)勢。而環(huán)球晶圓2011才成立，依靠從中美洗凈中美矽晶繼承下來的技術(shù)積累以及近幾年強(qiáng)勢的并購擴(kuò)張迅速成長為硅片市場第三，并且今年下半年，它還將并購第四的Siltronic，屆時(shí)市占率將超過30%，與信越化工爭奪冠軍之位。
目前，大陸的半導(dǎo)體硅片產(chǎn)業(yè)中，以中環(huán)、立昂微以及上海硅產(chǎn)業(yè)為主力，其中天津中環(huán)股份立足于光伏單晶硅，近年來積極布局半導(dǎo)體級硅片的研發(fā)和生產(chǎn)。
杭州立昂微則是專注于半導(dǎo)體，而且既能做硅料和硅片，也能做分立器件的芯片，是國內(nèi)少數(shù)能貫通產(chǎn)業(yè)上下游的半導(dǎo)體企業(yè)之一，而上海硅產(chǎn)業(yè)集團(tuán)及其子公司上海新昇是目前國內(nèi)硅片技術(shù)的引領(lǐng)者，除了擁有SOI硅片的自主技術(shù)以外，在國內(nèi)廠商只能生產(chǎn)6英寸及以下的硅片時(shí)，他們率先在18年開始規(guī)模化生產(chǎn)12寸硅片，結(jié)束了國內(nèi)硅片全靠進(jìn)口的歷史。
不過因?yàn)橥度氤杀揪薮?，而且良率不高，滬硅產(chǎn)業(yè)的大硅片到今年還沒實(shí)現(xiàn)盈利，這也是硅片國產(chǎn)化的第一個(gè)難點(diǎn)：成本。半導(dǎo)體硅料和硅片屬于上游市場，規(guī)模不大，利潤不高，但是投入巨大，成本高昂，需要大量資金支持。
第二個(gè)難點(diǎn)是設(shè)備。以最源頭的單晶爐為例，各大硅片寡頭都有自己的獨(dú)家供應(yīng)商，信越化工甚至能自己制造單晶爐，而后續(xù)的生產(chǎn)流程，國內(nèi)的硅片廠商基本都采用進(jìn)口設(shè)備，比如倒角機(jī)主要來自日本的東京精密和大途電子，多線切割機(jī)主要來自日本的NTC以及瑞士的SlicingTech,這些設(shè)備雖然能夠找到國產(chǎn)替代，但質(zhì)量和精度往往差距較大。尤其是關(guān)鍵步驟的CMP，物料部分如拋光墊和研磨液尚能國產(chǎn)，但設(shè)備本身目前完全依賴進(jìn)口。
第三個(gè)難點(diǎn)在于晶圓廠對硅片寡頭的路徑依賴，從光禿禿的硅片變成包含數(shù)百枚芯片的晶圓，這中間要經(jīng)歷動(dòng)輒數(shù)十門設(shè)備，上千道工序，成本巨大，所以從源頭的工藝驗(yàn)證階段，晶圓廠就要和硅片供應(yīng)商緊密合作，而一款工藝成熟以后，晶圓廠就不會(huì)貿(mào)然更換其他供應(yīng)商的硅片，否則生產(chǎn)良率和芯片可靠性一旦受影響，成本和代價(jià)就太大了。除此之外，研發(fā)投入和人才培養(yǎng)也是需要大筆投入。
原文始發(fā)于微信公眾號（光伏產(chǎn)業(yè)通）：十個(gè)步驟了解硅片制造工藝
